“這項工作突出了界面工程在全陶瓷電化學器件中的關鍵作用，可以幫助質子陶瓷電化學電池快速進入可持續能源的基礎領域，例如通過利用間歇太陽能和風能發電影響的電網中季節性儲能的核熱和電驅動來生產化學燃料和捕獲並利用二氧化碳。”對於他最近發表在《自然》雜誌上的論文，愛達荷國家實驗室的吳偉博士說。
關於這項成果的應用前景，他說:“就
“這項工作突出了界面工程在全陶瓷電化學器件中的關鍵作用，可以幫助質子陶瓷電化學電池快速進入可持續能源的基礎領域，例如通過利用間歇太陽能和風能發電影響的電網中季節性儲能的核熱和電驅動來生產化學燃料和捕獲並利用二氧化碳。”對於他最近發表在《自然》雜誌上的論文，愛達荷國家實驗室的吳偉博士說。
關於這項成果的應用前景，他說:“就改進的電化學電池而言，高性能PCEC(質子燃料電池)使我們能夠將高溫電解水制氫的工作溫度降低到350℃..這壹過程可以為“清潔和綠色氫氣”的許多應用打開大門。更重要的是，這項技術與幾個重要的工業過程(包括氨生產和二氧化碳減排)在相同的溫度範圍內運行。匹配這些溫度將加速這項技術在現有行業的采用。”
就接口工程技術而言，此次報道的技術可廣泛應用於固態電化學器件，如全固態鋰電池。全固態鋰電池是壹項尖端的鋰電池技術，各國都在大力發展。界面潤濕是其主要瓶頸之壹。酸處理技術可以有效改善全固態電池的界面潤濕性，從而提高電池的性能和穩定性。
正是因為其強大的應用性，他對這項成果的商業孵化充滿信心:“我們下壹步的研究計劃是兩個方面。壹種是整合現有的壹系列制備技術，將電化學器件進行擴展、模塊化甚至商業化。另壹方面是進壹步擴大和深化與其他高校和研究機構在化學品電化學合成、工業減碳等領域的合作。”
350℃下工作良好，數百小時幾乎沒有性能下降。
據報道，他和他的合作者已經在實驗中證明，經過酸處理的電池在600℃下每單位面積產生的氫氣比以前的任何電池都多150%，並且在350℃下工作良好，在數百小時內幾乎沒有性能退化。這種方法可以很容易地擴展和集成到大型電池和電池組的制造中。
馬裏蘭能源創新研究所材料創新中心主任胡教授表示，他沒有參與這項工作，但他的評價說:“作者報告了壹種令人驚訝的、簡單的、極其高效的表面處理方法，以顯著改善界面，並將電池性能提高到壹個‘優秀’的水平。
4月20日，相關論文發表在《自然》雜誌上，題目是《酸腐蝕活化質子陶瓷細胞中的界面》。
據吳偉介紹，包括風能、太陽能和潮汐能在內的可再生能源已經為社會提供了越來越多的清潔電力。然而，這些可再生能源的壹個主要特點是它們不穩定，並隨天氣明顯波動。所以清潔電能壹般先儲存。
使用蓄電池儲存電能的時間也非常有限，成本也很高。用這些清潔的電能生產氫氣和其他有機化學品和燃料，是電能儲存的另壹種方式，即把電能轉化為化學能。
眾所周知，氫是壹種綠色燃料，部分原因是當它燃燒時，產物只有水。然而，純氫沒有自然來源。我們今天使用的大部分氫氣是通過蒸汽轉化碳氫化合物(如天然氣)獲得的。該方法需要烴原料氣並產生碳副產物，這使其不太適合可持續生產。
因此，開發更高效的新型電化學電池，如固體氧化物燃料電解電池，可以實現分布式發電和低碳甚至無碳排放的氫化學品。世界各地的科學家也壹直在開發主要用於產生氫氣的電化學電池。由這些電池產生的氫氣也可以用作供熱、交通工具、化學生產或其他應用的燃料。
但前提是科學家必須克服材料和制備方面的壹系列挑戰，包括如何讓電池更高效、更穩定、制造成本更低。
說到這裏，吳偉做了壹個簡短的科普:電化學電解電池主要有三種。
第壹種在室溫下工作，比如質子交換膜電池。他們的主要問題是效率低，需要鉑等稀有金屬。
第二種在700？c以上，如氧離子導體電池。它們電解效率高，但金屬在高溫下容易氧化或與其他元素反應形成腐蝕，所以設備需要嚴格的密封和絕緣技術。
第三種，PCEC，是壹種更有潛力的電化學電池解決方案。就像充電電池利用化學原理儲存電能以備後用壹樣，PCEC可以將多余的電能和水轉化為氫氣。PCEC也可以逆向運行，將氫轉化為電能。這項技術使用稱為鈣鈦礦的晶體材料，價格便宜，可以在很寬的溫度範圍內工作。同時，PCEC的主要工作範圍在300到600之間？c、進壹步降低運行和制造成本。
理論上，質子導體的電導率高，活化能低，所以PCEC的性能自然會更優越。然而，吳偉和他的合作者早就觀察到他們的性能低於理論模擬的預期。自2017以來，他和他在愛達荷國家實驗室的同事壹直試圖了解原因。
它說:“經過同樣的實驗設計和觀察，我們發現質子(帶正電荷的氫原子)在電極/電解質界面的傳輸才是問題所在。具體來說，電極和電解質的結合並不理想。隨後，在電池制備過程中，我們增加了簡單的酸處理步驟，實現電極和電解液的緊密結合，從而實現更有效的離子傳輸。”
在壹系列詳細的表征之後，發現酸處理增加了電極和電解質之間的接觸面積。增加的表面積使得電極和電解質之間的結合更緊密，從而允許更有效的質子傳輸。此外，電池在壹些極端條件下的穩定性也顯著提高。
顯著提高電池的性能、熱力學和電化學穩定性
更詳細地說，本文的核心觀點是質子陶瓷膜電化學電池有望在350以下運行。雖然電解質的高質子傳導率已被證實，但由於未知原因，它不能完全用於電化學全電池。在這項研究中，吳偉等人揭示了這些問題源於高溫二次處理後氧電極與電解質界面接觸不良。
本研究證明，簡單的酸處理可以有效地修復高溫二次處理後的電解質表面，從而使氧電極與電解質之間產生反應性鍵合，提高電化學性能和穩定性。
這種方法可以做到低至350？c具有優異的質子陶瓷膜燃料電池性能，可維持600？C點的峰值功率密度為1.6W每平方厘米，450？c是每平方厘米650毫瓦，350？c是每平方厘米300毫瓦，而在1.4V和600？穩定的電解操作和C時的電流密度大於3.9安培每平方厘米。
據報道，質子陶瓷膜燃料/電解池(PCFCs/PCECs)由於其高效率和零排放，有望在中溫(300-600)應用領域實現化學能和電能的可逆轉換。
它們的關鍵成分之壹是鈣鈦礦結構的氧化物電解質。由於其活化能小，質子傳導率高，可以實現比基於氧離子導體的固體氧化物燃料/電解池(SOFCs/soec)更低的溫度運行。
然而，仍然存在壹些電解質相關的挑戰，限制了PCFC/PCEC的應用。第壹，燒結電解質雖然表現出很高的質子電導率(例如at 500 >: 10mS cm 1)，但電化學電池中的歐姆電阻大於僅從體離子電導率估算的理論值，且具有“未知來源”。這種不壹致被認為是由於氧電極和電解質之間接觸不良。其次，氧電極與電解質的界面機械性能較弱，會導致脫層等形式的損耗，尤其是在高電流密度的電解槽循環下。
要知道質子陶瓷膜燃料/電解池通常是在高溫T1下燒結，然後絲網印刷或塗刷在氧電極層上，再在較低溫度的T2下進行第二次燒結。
但是質子陶瓷膜電解質致密化比較困難，需要高溫燒結。雖然看似與整個電池在400-600°C的性能無關，但吳偉等人認為，低真實接觸面積和高界面阻抗與低速率傳質導致的燒結性差有著相同的根源。
事實上，T2燒結的情況更糟(約1000°C):多孔氧電極必須擴散結合到完全退火的電解質表面(以單晶襯底上的有限燒結作為極端類比)，T2也必須足夠低，以避免多孔氧電極粗糙化，並允許氣體傳輸和催化。
考慮到上述情況，團隊提出了壹種酸處理方法，在與氧電極結合之前，對高溫退火電解質表面進行活化修復。他們證明，這種方法可以完全恢復電化學電池中的理論質子電導率，並顯著提高電池的性能、熱力學和電化學穩定性。
吳偉表示，該項目從立項到成果公布，離不開所有團隊成員的合作和奉獻。這項工作由三個組織完成，包括愛達荷國家實驗室、麻省理工學院和內布拉斯加大學。團隊之間每周保持視頻會議溝通，遇到問題大家可以即時分享、討論、研究對策。
和大多數科研工作壹樣，從提出想法到實現，都會有挑戰和問題。很多時候，努力不壹定有回報。“我們只能做我們所學的，做我們力所能及的，依靠集體的力量去解決科學問題，剩下的交給運氣。這項工作取得了壹定的成果，我們都很高興。這次運氣在我們這邊。”他說。
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支持:王貝貝。
參考:
1、卞，吳，王，等。質子陶瓷電池界面的酸腐蝕活化。自然604，479–485(2022)。https://doi . org/10.1038/s 41586-022-04457-y